Gasaustausch in den Lungen

Eine der wichtigsten Vorgänge bei der Biologie des Menschen ist die Atmung. Eines unserer Stoffwechselendprodukte ist das Kohlendioxid, das wir ausatmen und im Austausch dazu frische Luft mit Sauerstoff als Energielieferant einatmen. Aber wie funktioniert die Biologie dieses Gasaustausches in den Lungen eigentlich?

Dazu zunächst einmal die Grundzüge der Biologie des Blutkreislaufs: Bis zu vier Sauerstoffmoleküle werden an den Blutfarbstoff Hämoglobin gebunden und mit dem Blut zu den Orten des Verbrauchs und Energiebedarfs, den Organen und Zellen im Körper, transportiert. Im Gegenzug strömt sauerstoffarmes, aber kohlendioxidreiches Blut über die Kapillaren, Venen und die große Hohlvene in die rechte Herzkammer. Von dort wird es über die Lungenarterien bis in die fein verzweigten Arteriolen in den Lungenbläschen gepumpt.

Frische, sauerstoffreiche Luft wird über Mund und Nase eingeatmet und gelangt über den Rachenraum in die Luftröhre. Eine der wichtigsten "Schaltstellen" in der Biologie der Atmung ist der Kehlkopf. Sein Kehldeckel bleibt beim Sprechen und Atmen aufgeklappt, beim Essen verschließt er die Luftröhre. So gelangen nur selten Speisereste in die falsche Röhre. Die Stimmritze zwischen den Stimmbändern im Kehlkopf bleibt beim Atmen durch Zug an den Ringmuskeln völlig geöffnet, beim Sprechen ist sie fast geschlossen. Unter Narkose, beim Eindringen von Fremdkörpern, Einatmen von Schleim und Sekret oder wenn beim Tauchen und Schnorcheln Wassertropfen mit eingeatmet werden, kann es zum Stimmritzenkrampf kommen. Die Stimmritze bleibt geschlossen, und es entsteht akute Atemnot. Durch den Unterdruck kann es schließlich zu einem Lungenödem kommen. Fällt der Betroffene dabei in Ohnmacht, so löst sich in den allermeisten Fällen der Krampf und die Atemwege werden wieder frei.

Die Luftröhre ist etwa 10 bis 12 cm lang und wird durch Knorpelringe offengehalten. Beim Einatmen dehnen sich die Lungenflügel, es entsteht ein Unterdruck und die Atemluft wird über die Luftröhre und die Bronchien bis in die Bronchiolien eingesaugt. Hier liegen Lungenbläschen und Arteriolen eng beieinander. Über die Membranen findet der eigentliche Gasaustausch statt. Der Sauerstoffpartialdruck ist in den Lungenbläschen höher, zum Konzentrationsausgleich diffundiert daher Sauerstoff in die Kapillaren der Alveolen. Umgekehrt strömt Kohlendioxid aus den Blutgefäßen in Richtung Lungenbläschen, um dort den niedrigeren Partialdruck an Kohlendioxid auszugleichen. Der Gasaustausch folgt also den allgemeinen Prinzipien des Konzentrationsausgleichs in der Biologie halbdurchlässiger Membranen. Die Brustmuskulatur zieht sich zusammen, das Lungenvolumen wird kleiner und die verbrauchte Luft ausgeatmet.

Das mit Sauerstoff angereicherte Blut gelangt über die Lungenvenen in die linke Herzkammer, von wo es in den Körperkreislauf gepumpt wird. In den Körperorganen findet der Gasaustausch in umgekehrter Richtung statt. Sauerstoff diffundiert in die Zellen, um den niedrigeren Sauerstoffpartialdruck auszugleichen. Und Kohlendioxid wird im Austausch dazu in das venöse Blutsystem geleitet. Das sauerstoffarme und kohlendioxidreiche Blut strömt in die rechte Herzkammer und wird von dort in den Lungenkreislauf gepumpt. Damit schließt sich der Kreislauf.


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